无中和器射频离子推力器原理研究

夏广庆,徐宗琦,王鹏,朱雨,陈茂林

1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,大连116024 2.中国科学院深圳先进技术研究院,深圳518055 3.西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室,西安710072

无中和器射频离子推力器原理研究

夏广庆1,*,徐宗琦1,王鹏1,朱雨2,陈茂林3

1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,大连116024 2.中国科学院深圳先进技术研究院,深圳518055 3.西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室,西安710072

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。

电推进;负离子;射频离子推力器;电负性气体;离子-离子推力器;磁过滤;交变电压

随着电推进技术的发展,电推力器已经越来越广泛地应用于不同种类的卫星上。1998年以前,空间科学探测卫星上电推力器的应用率约为3%,相应的电推进装置有200种左右[1]。如今,约有20%的卫星使用电推进系统,美国、俄罗斯及欧洲等国已将电推力器广泛用于卫星和空间飞行器,中国也已经在实践9号卫星上成功验证和应用霍尔推力器及离子推力器,未来将发展更大规模的电推进应用平台。

通常认为,按不同离子加速方式,电推力器主要分为三种:电热式、静电式和电磁式。

电热式推力器主要有电阻加热推力器和电弧加热推力器,电阻加热推力器是利用电能加热工质,使其汽化分解,经喷管膨胀,加速喷出产生推力,工作方式与化学推进基本相同。电弧加热推力器是靠两个电极之间加电压后形成的电弧加热工质,经扩张喷管高速喷出产生推力。电热式推力器的特点是能够获得较大推力,但是比冲相对较低。

静电式推力器除了传统的考夫曼离子推力器外,还有微波离子推力器和射频离子推力器,其主要是利用微波或射频的能量使易于电离的工质电离,形成电子和正离子,正离子在静电场的作用下加速喷出产生推力。由于需要栅极系统提供静电场,因此也可称栅极离子推力器。静电式推力器的特点是比冲大、推力效率高。

电磁式推力器主要有霍尔推力器和磁等离子体推力器,其主要是利用电能使工质形成等离子体,在洛仑兹力的作用下加速喷出产生推力。电磁式推力器的特点是离子束集中、推力较大。

栅极离子推力器和霍尔推力器的共同点是都能够获得较高比冲[2-3],且为了使喷射到空间中的羽流呈电中性,都必须安装中和器发出电子与正离子中和。因此,中和器的稳定性、使用寿命及功率损耗成为制约卫星总体工作性能的重要因素。另外,中和器占据推力器结构空间,增大推力器总体质量,从而增加发射成本。因此,人们普遍认为中和器是电推力器的一个软肋[3-4],同时也在考虑研制一种基于可以分别加速正离子和负离子并最终使其中和为中性粒子的无中和器射频离子推力器。

1 推力器研究现状

关于无中和器射频离子推力器的理论研究及相关试验工作已在国外开展,美国乔治亚理工学院设计出一种名为马歇尔离子-离子推力器(Marshall’s Ion-io N Thruster,MINT),以电负性气体作为工质气体,交替加速正负离子产生推力,并通过试验,获得了理想的结果[5]。法国国家科学研究中心也根据无需中和器这一目标研究出一种电负性离子推力器,经过试验发现,电负性工质气体具有较高的电离度,可以获得较高的等离子体密度。当栅极加速电压为500 V时,可以达到与传统栅极推力器相近的推力及比冲[6]。美国海军研究实验室通过试验证实了在栅极板上加载正弦偏置电压能够从离子-离子等离子体中引出正负离子[7]。美国休斯顿大学研究学者建立了时变流体模型用以研究射频电压与直流电压对离子-离子等离子体动力学特征的影响并发现其鞘层结构与传统的栅极离子推力器相比具有很大不同,但是对鞘层的空间尺度及预鞘层是否存在影响尚未进行详细的研究[8-9]。

电负性等离子体是一种含有正离子、负离子及电子的等离子体,其电负性程度可以通过负离子密度与电子密度的比值α衡量,即α= n-/ne。电子温度与负离子温度的比值γ也是描述电负性等离子体性质的重要参数之一,即γ=Te/T-。由于负离子比正离子质量大,因此电负性等离子体有很多特征参数不同于电正性等离子体,比如玻姆速度、鞘层厚度及悬浮电位等[10-11]。

有研究表明,无中和器射频离子推力器能量传输效率高达90%,推力可达20 m N/k W,比冲在30 000 m/s左右。但是,为实现激发后产生电负性等离子体,该射频离子推力器需要使用电负性气体作为工质气体。

2 推力器工作性能及原理

2.1 推力器的推力和比冲

对于航天推力器,其推力可表示为

式中:vex为离子喷出速度;dm/dt为推力器工质总质量的变化率,推力大小可以根据任务需要控制。

对式(1)进行积分,得

式中:Δv为航天器速度变化增量;m0和mf分别为航天器初始质量和最终质量。因此,Δm= m0-mf为推力器工质质量变化量。式(2)为火箭理想速度公式,又称为齐奥尔科夫斯基公式。

比冲可表示为

式中:g0为重力加速度常数。从式(2)和式(3)中可以看出,比冲影响推进工质消耗:速度增量相同情况下,比冲越大,推进工质消耗越少。电推力器具有较高比冲,因此可以使用较少推进工质,节约发射成本。

无中和器射频离子推力器与传统的栅极离子推力器推力和比冲产生方式相同。栅极离子推力器主要依靠引出由电离室产生的离子进行静电加速来工作,通过在多个栅极之间施加电偏压实现对离子的加速,并产生推力。对于离子束,离子喷出速度vex与离子运动速度vb相等,离子总质量随时间的变化率dm/dt可表示为离子流量Γi。

根据动能定理,忽略离子能量损失,则

式中:e为基本电荷,U0为栅极之间的电势差,Mi为离子质量。于是,推力可表示为

式中:Ai为栅极有效面积,忽略等离子体发散及能量损失;ns为边界处等离子体密度;Te为等离子体温度。当推力达到最大值时,根据离子电流密度的连续性方程和能量方程,求解泊松方程可得电极最大电流[12]式中:ε0为真空介电常数;d为栅极板间距离。假设等离子体密度均匀,当等离子体流达到最大值时,有Γi=JCL/e,则最大推力

从式(7)中可以看出,栅极离子推力器的最大推力与栅极有效面积、栅极间距离及加速电压有关,栅极有效面积越大,栅极板间距离越小,加速电压越大,推力器产生的推力越大。同时,也可以看出离子质量对推力没有影响,但会影响推力器的比冲及工质气体的损耗。

2.2 推力器的工作原理

无中和器射频离子推力器是一种根据电负性等离子体推进(Plasma propulsion with Electronegative GASES,PEGASES)原理探索研究的新型静电式电推力器,故也称为电负性气体等离子体推力器。它的主要特点是基于射频耦合激励的方式,使用电负性气体和常规电推进气体的混合工质放电,在推力器放电室内同时产生正离子、负离子和电子,通过径向磁场的磁障屏蔽效应过滤电子,使得正、负离子均可到达栅极加速系统。在栅极系统交变加速电压的作用下,正离子与负离子周期性喷出,进而产生推力,最后二者复合为中性粒子,保证羽流宏观上呈电中性,因此不需要中和器,从而可以大大减轻结构质量、提高寿命和稳定性,并且可减少带电离子的回流和对航天器的溅射作用。图1所示为推力器工作过程简图。

图1 无中和器射频离子推力器工作过程简图Fig.1 Working process of the RIT without neutralizer

无中和器射频离子推力器工作过程主要分为三步:1)等离子体的产生;2)离子-离子的形成;3)正负离子的加速。

(1)等离子体的产生

等离子体主要是由射频功率源通过匹配器将能量耦合给天线,天线激发电离中性工质气体而产生放电,有关射频放电理论在此不详细阐述[5]。该过程关键在于射频功率源的能量能否最大程度地传递给中性工质气体,即产生高密度的等离子体。通过电磁场的作用将能量最终耦合给等离子体主要有3种方式:容性耦合(CCP)、感应耦合(ICP)和波耦合。在容性耦合模式中,通过随射频电压变化而改变的振荡鞘层使电子获得能量并激发放电。在感应耦合模式中,通过射频天线的电流在等离子体中产生感应电场,电子从电场中获得能量并激发放电,电场向等离子体内部传播一段距离直至场强衰减为零,这段距离就是所谓的趋肤深度。在波耦合模式中,外加磁场使电磁波通过朗道阻尼作用将能量传给电子,然后激发放电。

无中和器射频离子推力器采用的等离子源是感应耦合等离子体源,射频频率为4 MHz,射频功率为200 W,两个栅极板放在等离子体出口处,栅极板由不锈钢制成且厚度为0.8 mm,离子通过率为60%,栅极孔直径为2 mm,栅极板间距为2 mm。磁过滤装置提供径向变化范围为0～0.034 T的磁场,天线缠绕在石英放电室外并集成封装,这样能够减少功率损失,增大ICP耦合效率[13-14],图2为其整体结构简图。首先使用传输线将射频功率源与匹配器连接,然后能量通过匹配器传输到射频天线,射频天线通过感应耦合作用加热放电室中等离子体使其温度不断升高,直至发生电离。ICP放电实际上削弱了CCP放电,从而可以忽略等离子体射频电势能。在这个系统中,功率效率能够达到90%以上,因此可以有效地应用于空间推进系统。

图2 无中和器射频离子推力器整体结构简图Fig.2 Structure of the RIT without neutralizer

电负性工质气体转变为负离子通常需要两个过程:电离和复合。中性气体分子首先被电离为正离子和电子,然后电子与未被电离的中性粒子复合成负离子,这个过程必须使用电负性气体作为工质气体才能实现,且在等离子体内部及低逸出功金属表面均能够发生。例如,负氢离子能够在金属铯表面产生[15-16]。

在电负性气体试验中发现,负离子能够通过电子的离解俘获碰撞产生。在这个过程中,电子能量过高而不能直接吸附于中性粒子,因此电子与中性粒子碰撞后会使其电离,或者通过自身的振动及旋转运动消耗能量,然后与中性粒子复合形成负离子。对于大部分电负性气体,高温电子与中性气体分子碰撞使其电离为正离子,低温电子与中性气体结合为负离子。负离子的密度与电子密度有关,被束缚的电子越多,负离子密度越高,电负性程度越大,因此使用磁场过滤装置使电子被束缚在放电室中可有效地产生负离子。

(2)离子-离子的形成

这个工作过程的主要目的是将等离子体分成两个区域:1)等离子体中心区域;2)下游离子-离子等离子体区域。在等离子体中心区域,电子温度很高,热运动剧烈,与中性气体分子碰撞后会使其有效地电离。在下游离子-离子等离子体区域,电子密度几乎可以忽略,等离子体的能量主要指的是离子能量。综上所述,为了能使这两个区域形成,需要控制等离子体中电子的温度。通常情况下,在低温等离子体中,电子温度Te与电离平衡 (电子产生和消失)、工质气体种类及气体压强p与离子有效扩散特征尺寸L乘积有关[11]。电子加热的3种射频耦合方式如前文所述,放电功率的值对电子温度影响较小。在负离子源中,电子通过安装在离子引出孔前边的磁过滤装置 (局部横向磁场)后被冷却,能量降低而更易与中性粒子结合。这项技术被应用于PEGASES推力器,其中的磁过滤装置由磁场方向垂直于放电室轴向的永磁体构成,电子的冷却程度与磁感应强度和方向有关。试验中发现,在磁感应强度最大处电子温度最低[14],同时,在磁感应强度最大处附近存在离子-离子等离子体[17],且离子数密度是电子数密度的三倍左右。在局部区域中,离子密度保持很高,这说明离子在穿过磁场过程中不受磁场影响。RF功率仅为120 W时,离子-离子等离子体区域中的离子密度就能达到3×1017m-3。

(3)正负离子的加速

无中和器射频离子推力器属于栅极离子推力器的一种,其离子加速机制与传统的栅极离子推力器相同,但是其不同点在于使用同一个栅极交替加速正负离子。为了实现正负离子的交替加速,需要在第一个栅极板上施加正弦偏置电压,第二个栅极板接地[18]。为了引出并加速正负离子,需要使推力器壁面悬浮而非接地,并且两个栅极板之间的电场方向在一个偏置周期内改变。栅极系统中,正负离子运动轨迹如图3所示。

在任何离子源中,加速栅极的设计必须与加速电压及等离子体参数(密度和温度)相匹配,这样可以获得性质较好的等离子体羽流,即离子束具有较为合适的正负离子流量和扩散角,从而能够满足推力要求,其推力可以通过式(5)表示。对于单纯的离子-离子等离子体,进入鞘层的离子具有相同的玻姆速度,即vB=此时离子温度可用电子温度表示。推力器的推力效率为

图3 正负离子运动轨迹简图Fig.3 Motion trajectories of the positive and negative ions

式中:QT为总质量流率;Pin为输入功率。

3 关键技术

相比于其他栅极离子推力器,无中和器射频离子推力器的关键技术主要在于以下几个方面:电负性工质气体的选择、径向磁场过滤装置的作用及栅极偏置电压的加载方式。下面就这几个方面进行简要分析。

3.1 电负性工质气体的选择

无中和器射频离子推力器最主要的特点在于必须使用电负性气体作为工质气体。电负性气体是具有极易与自由电子结合形成负离子并保持稳定状态能力的气体。电负性气体是由非金属元素组成的单质或化合物,非金属性较强。其通常是由卤族元素组成的单质分子气体,比如氯气、碘蒸汽,或者含有卤族元素的化合物分子气体,比如SF6和CF4。另外,电负性气体还包括O2和H2等非卤族元素气体。因此,选择电负性工质气体时应该首先考虑上述气体,或者几种气体的混合物。然而,在这些电负性气体中,I2被看作是最有发展前景的工质,这是因为I2是一种电负性极强的物质,且在卫星发射到太空过程中极易以固态形式储存,很大程度上节省了推进剂所占空间[19]。

分子的电离和复合率系数通常受电子温度的影响,反应过程为[20]

由式(9)、式(10)和式(11)可以看出,中性气体分子首先与高温电子发生电离碰撞产生正离子和电子,低温电子与未被电离的中性气体分子结合成负离子,此时在放电室上游同时存在正、负离子及电子,为了维持电离-复合反应的不断进行,必须通过磁场约束电子使其留在放电室中,从而提高负离子的密度,即增大电负性程度。

产生电负性等离子体的关键在于控制电子能量分布,即高温电子与低温电子的数量,从而使发生电离与复合的中性气体分子具有合适的比例。

国外已有试验表明,在压强为0.13 Pa、射频功率为100 W的条件下,采用SF6作为工质气体产生正、负离子的速率相当,并具有较高的复合率[20]。

3.2 径向磁场过滤装置的作用

在传统推力器内部的低温等离子体中,电子的作用是引发中性气体放电及中和喷出的正离子,然而在无中和器射频离子推力器中,电子不仅被用于引发中性气体放电,而且用于与未被电离的中性粒子复合为负离子[21]。在多数情况下,离子-离子等离子体更适合用于低温等离子体设备,离子-离子可以通过脉冲放电或者磁场过滤装置形成[22-23]。在脉冲放电中,余辉里的电子能量较低,可以与中性离子复合为负离子。当使用磁场过滤装置时,负离子的形成区域能够被限定在一定空间范围内。通过磁场的作用,电子被约束在上游电离区域,下游只有可与中性粒子复合的少量低温电子。

径向磁场过滤装置对离子-离子的形成具有很大影响,径向磁场可以由永磁体或电磁铁提供,其作用主要体现在以下3个方面:

1)约束等离子体源中的电子,确保工质气体能够有效电离并维持放电。

2)减少扩散到放电室下游离子-离子区的电子数量,使其沿着磁力线运动并最终附着于器壁。

3)降低通过磁场的电子的温度,使其更易与气体分子结合形成负离子。

虽然这些理论已经建立,但是电子冷却机理、场强梯度分布方式等问题还没有完全分析清楚,因此采用径向磁场过滤装置产生离子-离子等离子体的方法还需深入研究,关键是如何提高加速栅极上游的磁场对电子的束缚能力,即阻止电子被加速喷出的能力。

3.3 栅极偏置电压的加载方式

无中和器射频离子推力器栅极板上通常加载正弦偏置电压,电场方向随时间交替变化,以使正负离子能够分别被加速。但是在一个周期中,被加速的正负离子的总量不一定相同,因此需要根据正负离子的加速效率,对二者的加速时间做出适当调整,以保证喷射出的正负离子总量相同,进而能够完全复合为中性粒子,使羽流呈电中性。通过进一步研究发现,方向交替变化的方波电压也能实现正负离子加速。通过粒子网格法(Particle In Cell,PIC)仿真发现,从等离子体源中引出的正负离子流量比例由电负性程度决定,负离子密度远高于电子密度[24]。当负离子从等离子体引出时,也能检测到同时被引出的部分电子。在这种情况下,负电荷加速周期应该比相应的正电荷加速周期短,以此来补偿电荷密度和电荷流量,电荷的加速周期可以根据需要做适当的优化。这种周期的不对称性可以推广到仅加速正电荷和电子的系统中。对一个等离子体加速系统进行优化时,正负离子的加速电压大小及周期可以根据正负离子温度的不同作适当调整,以保证加速后的正负离子电荷量相等,使羽流最终呈电中性。国外已有研究学者采用一维PIC方法对于在栅极板上加载不同波形偏置电压时的鞘层结构进行了模拟[25],相同的问题也被采用联立离子连续性方程、动量方程及泊松方程求解的方法研究[26],结果表明鞘层结构与偏置电压频率及离子与栅极板碰撞频率密切相关,离子运动速度远高于热运动的平均速度,因此说明当偏置电压模式不同时,形成的鞘层都能对离子有明显的作用。

栅极板上加载电压的频率范围应考虑下列因素:1)离子-离子等离子体自身回旋频率和离子通过栅极板所需时间;2)单束离子电荷在下游空间产生的电势大小。这种分析模型建立在一维基础上,完全忽略二次电子散射及其他外部的空间电荷中和源,最终推测出加载电压频率应该在几兆赫兹区域内[27]。

另有研究发现,利用射频自偏压原理也能实现栅极加速等离子体。这种方法是根据离子和电子对时变、电场的响应时间不同,通过形成于电极前不断变化的空间电荷鞘层调节电压,并最终使施加在电极板上的射频偏置电压与等离子体相匹配。实现这种加速方法完全不需要磁场及中和器,仅需要控制等离子体的流动参数。在施加于栅极间的射频振荡电场的作用下,离子能够连续不断地被加速,而电子却周期性地被引出。离子能量由场强的均值决定。电子的加速过程具有自洽性,因此不能通过一般方法控制电子能量的空间分布[28]。已经证实,扩散到下游空间区域内的等离子体流呈电中性。由于这种加速方法的特殊性,边界条件对整个等离子体流都会产生影响,引起其他粒子输运过程产生,如等离子体的非双极扩散[29]。射频自偏压加速等离子体的关键在于粒子流能否视为非均质等离子体,即离子与电子的流量相等,或者视为传统的等离子体束流,即正离子流被低温均质电子云包围[30-33]。因此,可以通过试验测量并比较离子流与电子流在下游射频自偏压系统中角分率的大小来判断离子与电子流量是否相等。

法国巴黎综合理工学院根据射频自偏压原理设计出一种名为“海王星”的栅极加速等离子体系统,并在试验中使用马赫探针测量等离子体流中离子与电子数。经过试验发现,在此系统中电子与离子流量几乎相等,等离子体流速在10 000～35 000 m/s之间,并随着射频电压的增大而增大,射频电压约为375 V,等离子体流中心处的离子流量约为1016s-1·m-2[34],且等离子体流具有很强的方向性,因而能够准确判断出推力器羽流方向[35]。然而,采用马赫探针方法测量粒子流量具有一定误差,不能准确说明离子数与电子数完全相等,因此还需进行更深一步地理论分析与试验验证。

4 结束语

与传统的栅极离子推力器相比,无中和器射频离子推力器具有很大的发展空间,其特点在于使用同一个等离子体源分别加速正负离子,这样可以不需要外加中和器就能实现等离子体羽流最终呈电中性,因此具有优越性能。虽然将这种推力器最终应用到空间飞行器上还需经过深入的理论研究和试验分析,但是已经证实在磁过滤装置的下游存在离子-离子等离子体,且中性粒子电离程度已经满足栅极离子推力器粒子电离程度的要求。离子-离子等离子体源能够产生足够高密度的正负离子,从而无中和器射频离子推力器能够在500 V加速电压下工作,具有与传统栅极推力器相近的推力和比冲。

总之,无中和器射频离子推力器具有潜在的应用前景。其结构组成相对简单,无需中和器,因此可以避免粒子对传统中和器热阴极材料污染的制约,从而有效将电推力器的应用从地球同步轨道拓展至低地球轨道,且具有较好的推力及比冲性能,能够满足未来空间科学探测任务的需求。

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(编辑:车晓玲)

Research on the principle of RF ion thruster without a neutralizer

XIA Guangqing1,*,XU Zongqi1,WANG Peng1,ZHU Yu2,CHEN Maolin3
1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China 2.Shenzhen Institutes of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518055,China 3.Science and Technology on Combustion,Internal Flow and Thermo-Structure Laboratory,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China

In the wide application of electric thrusters,most of them accelerate positive ions to generate thrust,and need to install the neutralizer which can emit electrons to neutralize the positive ions.Otherwise it will cause the spacecraft self-charging,and the communication equipment and electronic devices will be damaged.Therefore,the neutralizer performance becomes an important factor restricting the working state of the electric thrusters.In order to overcome the shortcoming,a kind of RF ion thruster without a neutralizer based on accel-erating positive and negative ions alternately was introduced.The structural components and the propulsion principles were described.The generation of ion-ions and accelerating process of positive and negative ions were discussed.The key techniques including electronegative gas discharge characteristics and magnetic field filter the electrons efficiency,as well as the applied bias voltage way for grids in which the positive and negative ions could be accelerated alternately and periodically were pointed.The analysis results indicate this thruster has potential application prospect in the low orbit spacecraft and deep space probes.

electric propulsion;negative ion;RF ion thruster(RIT);electronegative gas; ion-ion thruster;magnetic filter;alternating voltage

V439+.1

:A

10.3780/j.issn.1000-758X.2016.0004

2015-11-26;

:2015-12-30;录用日期:2016-01-18;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-02-24 13:26:25

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160224.1326.003.html

装备预研共用技术基金;中国博士后科学基金(2013M541230);中央高校基本科研业务费专项资金[DUT15ZD(G)01]

*通迅作者:夏广庆(1979-),男,副教授,gq.xia@dlut.edu.cn,主要研究方向为电推进

夏广庆,徐宗琦,王鹏,等.无中和器射频离子推力器原理研究[J].中国空间科学技术,2016,36(1):1-8.

XIANG G Q,XU Z Q,WANG P,et al.Research on the principle of RF ion thruster without a neutralizer[J].Chinese Space Science and Technology,2016,36(1):1-8(in Chinese).

http:∥zgkj.cast.cn